KR101474015B1 - 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 제1 도전형을 갖는 기판, 상기 기판에 위치하고, 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형을 갖는 에미터층, 상기 에미터층과 연결되는 제1 전극, 상기 제1 전극의 일부를 덮고 있는 반사 방지막, 그리고 상기 제2 전극과 분리되어 있고, 상기 기판과 연결되는 제2 전극을 포함한다. 이로 인해, 전면 전극의 전도성 증가와 탈수소화가 방지되므로 FF(fill factor)와 개방전압이 증가하여 그 만큼 태양전지 효율이 향상된다.

태양전지, FF, 개방전압, 글라스 프릿

Description

태양전지 및 그 제조 방법{Solar cell and Method for manufacturing the same}

본 발명은 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.

태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(101)와 n형 반도체(102)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형 및 n형 반도체(101, 102) 중 전자는 n형 반도체(102) 쪽으로, 정공은 p형 반도체(101) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체(101) 및 p형 반도체(102)와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하게 되고, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.

도 2는 종래기술에 따른 태양전지의 제조 방법에서 전면 전극을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 개념도이다. 도면을 참조하면, 종래에는 p형 실리콘 기판(101)에 n형 에미터층(102)을 형성하여 p-n 접합층(depletion region)(105)을 형성한 후 그 위에 반사 방지막(206)을 형성한다. 이때, 반사 방지막(106)은 실리콘 질화막(SiN)으로 이루어지며, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)q법으로 형성된다. 그런 다음, 글라스 프릿(glass frit)이 함유된 은 페이스트(Ag paste)를 핑거 전극(finger line)(103a)과 버스 전극(bus-bar)(103b)의 패턴으로 스크린 인쇄(screen printing)한 후 고온의 소성 공정을 진행하여 태양전지 기판 전면에 전면 전극(103)을 형성한다. 참고로, 소성 공정이 진행되면 은 페이스트에 함유된 글라스 프릿의 에칭 작용으로 스크린 인쇄된 전극 패턴이 반사 방지막(106)을 뚫고 들어가 에미터층(105)과 전기적인 접속을 이룬다.
도 2에서, 도면 부호 "104"은 기판(101)의 후면에 형성된 후면 전극으로서, 알루미늄(Al)을 함유하고, 스크린 인쇄법으로 형성된다.

그런데, 상기와 같이 전면 전극(103)을 형성하면 다음과 같은 문제가 있다.

첫째, 은 페이스트의 스크린 인쇄 및 소성 공정을 통해 전면 전극(103)을 형성하면 은(Ag)을 함유한 전극의 전도도를 하락시켜 FF(fill factor)를 떨어뜨린다.

둘째, 은 페이스트 내에 포함된 글라스 프릿이 반사 방지막(106)을 뚫기 위해 900도 이상의 고온 소성 과정이 필요하다.

셋째, 고온 소성이 진행될 때 소수 캐리어의 재결합을 막아주는 수소들의 탈수소화가 유발되어 이로 인해 개방전압(Voc)이 낮아진다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양전지의 효율을 향상시키는 것이다.

본 발명의 한 특징에 따른 태양 전지는 제1 도전형을 갖는 기판, 상기 기판에 위치하고, 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형을 갖는 에미터층, 상기 에미터층과 연결되는 제1 전극, 상기 제1 전극의 일부를 덮고 있는 반사 방지막, 그리고 상기 제2 전극과 분리되어 있고, 상기 기판과 연결되는 제2 전극을 포함한다.
상기 제1 전극은 상기 에미터층과 연결되는 핑거 전극과 상기 핑거 전극과 연결되는 버스 전극을 포함할 수 있고, 상기 반사 방지막은 상기 핑거 전극을 덮고 있을 수 있다.
상기 반사 방지막은 상기 핑거 전극 사이에 노출된 에미터층을 덮고 있을 수 있다.
상기 버스 전극은 상기 반사 방지막에 의해 덮여 있지 않고 노출되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제1 도전형을 갖는 기판에 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형의 에미터층을 형성하는 단계, 핑거 전극과 버스 전극을 구비하고 상기 에미터층과 연결되는 제1 전극과 상기 제1 전극과 분리되어 있고 상기 기판과 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계, 그리고 상기 핑거 전극 위에 반사 방지막을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1 및 제2 전극 형성 단계는 상기 에미터층 위에 제1 도전형 페이스트(paste)를 상기 핑거 전극과 상기 버스 전극의 형상에 대응하는 패턴으로 도포하는 단계, 상기 도포된 패턴을 탈수소화가 유발되지 않는 온도에서 소성시켜 상기 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 에미터층이 형성되지 않은 기판 위에 제2 도전성 페이스트를 도포하는 단계, 그리고 상기 제2 도전성 페이스트를 소성하여 상기 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 도전성 페이스트는 글라스 프릿을 포함하지 않는 것이 좋다.
상기 제1 도전성 페이스트는 은(Ag) 페이스트일 수 있다.
상기 제2 도전성 페이스트는 알루미늄(Al) 페이스트일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 형성 단계는, 상기 에미터층 위에 제1 도전성 페이스트를 상기 핑거 전극과 상기 버스 전극의 형상에 대응하는 패턴으로 도포하는 단계, 상기 에미터층이 형성되지 않은 기판 위에 제2 도전성 페이스트를 도포하는 단계, 그리고 상기 도포된 패턴과 상기 제2 도전성 페이스트를 탈수소화가 유발되지 않은 온도에서 소성시켜 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반사 방지막 형성 단계는 상기 버스 전극 위에 패턴을 형성하는 단계, 상기 기판 전면에 절연막을 형성하여 반사 방지막을 형성하는 단계, 그리고 상기 버스 전극 상부에 형성된 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 절연막은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막 및 티타늄 산화막 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.

삭제

삭제

이러한 특징에 따르면, 전면 전극 형성 시 글라스 프릿이 함유되지 않은 은 페이스트를 사용하므로 글라스 프릿에 의한 전극의 전도 특성 열화가 없다.

나아가, 반사 방지막의 펀치 쓰루를 위해 고온 소성 공정을 진행하지 않으므로 소수 캐리어의 재결합을 방지하는 수소 원자의 탈수소화가 일어나지 않는다.

아울러 전면 전극 형성 과정에서 고온 소성 공정이 진행되지 않으므로 에너지 절감 효과가 발생한다.

위와 같이, 전면 전극의 전도 특성 열화가 없고, 수소 원자의 탈수소화가 방지되면, FF와 개방전압이 증가하여 태양전지의 효율이 향상된다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면을 참고로 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 일부 개략도이고, 도 4a 내지도 4f는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 태양 전지의 일부 개략도이다.
먼저, 도 3을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(10)의 구조에 대하여 설명한다.
도 3에 도시한 것처럼, 본 실시예의 태양전지(10)는 반도체 기판(110) 위에형성된 에미터층(120), 에미터층(120) 위에 위치한 전면 전극(140), 전면 전극(140)의 일부를 덮고 있는 반사 방지막(150), 그리고 전면 전극과 대향하게 기판(110) 위에 형성된 후면 전극(160)을 구비한다.
반도체 기판(110)은 p형의 실리콘 기판이다.
에미터층(120)은 n형의 불순물을 포함하고 있다. 에미터층(120)은 반도체 기판(110)과의 p-n 접합을 이루어, 기판(110)과 에미터층(120) 사이에 p-n 접합층(depletion region)(130)을 형성한다. 이때, 에미터층(130)은 n형의 불순물이 고농도로 도핑된 n+의 도전형을 갖는다.
전면 전극(140)은 에미터층(130) 위에 형성된 핑거 전극(141)과 버스 전극(142)을 구비한다. 도 3에 도시한 것처럼, 핑거 전극(141)은 반사 방지막(150)에 의해 덮여 있지만, 버스 전극(142)은 반사 방지막(150)에 의해 덮여지지 않고 노출되어 있다.
이러한 태양 전지(10)를 제조하는 방법에 대하여 도 4a 내지 도 4f를 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4a에 도시한 것처럼, 반도체 기판(110)을 준비한다. 반도체 기판(110)으로는 p형의 실리콘 기판을 사용한다.

그런 다음, 도 4b에 도시한 것처럼, 반도체 기판(110)과 반대 도전형의 불순물을 기판(110) 전면에 주입하여 에미터층(Si n+ type)(120)을 형성한다. 에미터층(120)이 형성되면 반도체 기판(110) 내에 p-n 접합층(depletion region)(130)이 형성된다. 본 실시예에서, 반도체 기판(110)이 p형이므로 에미터층(120)은 n형이 된다. 불순물 주입은 본 발명이 속한 기술분야에서 공지된 건식 또는 습식 확산 공정을 이용하여 수행한다.

이어서, 도 4c에 도시한 것처럼, 에미터층(120) 상부에 글라스 프릿이 포함되지 않은 은 페이스트를 이용하여 핑거 전극(141)과 버스 전극(142)의 형상에 대응되는 패턴(141a, 142a)으로 스크린 인쇄한다. 그런 다음, 스크린 인쇄된 패턴을 건조시킨 후 탈수소화를 유발하지 않는 저온에서 소성시켜 핑거 전극(141)과 버스 전극(142)을 구비한 전면 전극(140)을 완성한다. 탈수소화를 방지하기 위한 온도 조건은 실험적 방법으로 용이하게 설정할 수 있다. 나중에 형성하는 반사 방지막은 수소 분위기에서 형성하는데, 이런 경우 수소원자가 기판 측으로 확산하여 들어감으로써 소수 캐리어의 재결합을 방지하는 작용을 한다. 상기 탈수소화는 기판으로 확산해 들어간 수소 원자가 다시 기판 밖으로 빠져나오는 것을 의미한다. 그런데 본 발명은 반사 방지막(150)보다 전면 전극(140)을 먼저 형성하므로 탈수소화를 문제를 심각하게 고려하지 않아도 되는 이점이 있다.

그 다음, 도 4d 내지 도 4f에 도시한 것처럼, 버스 전극(142) 상부를 마스킹한 상태에서 반도체 기판(110)의 전면에 반사 방지막(150)을 형성한다. 버스 전극(140) 상부를 마스킹하기 위해, 도 4d에 도시한 것처럼, 반사 방지막(150) 형성 공정의 진행에 앞서 버스 전극(142) 상부에 마스킹 패턴(170)을 형성하는 것이 바람직하다. 마스킹 패턴(170)은 반사 방지막(150) 형성 공정이 완료된 후 습식 세정 공정을 진행하여 제거한다(도 4e 및 도 4f). 마스킹 패턴(170)은 포토레지스터 등 반도체 제조 공정에서 마스킹 패턴으로 사용되는 다양한 물질로 형성할 수 있다.

반사 방지막은 PECVD법을 이용하여 실리콘 질화막(SiN)으로 형성한다. 대안적으로, 반사 방지막(150)은 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, 티타늄 산화막 등으로 형성하여도 되고, 실리콘 질화막(SiN)을 포함하여 열거된 절연막 중에서 선택된 2층 이상의 다층막 구조로 반사 방지막을 형성한다.

도 4f에 도시한 것처럼, 방지 방지막(150)의 형성 및 마스킹 패턴(170)의 제거가 완료되면, 반도체 기판(110)의 배면에 후면 전극인 알루미늄(Al) 전극(160)을 형성한다(도 3). 알루미늄 전극(160)은 기판(110) 후면에 알루미늄 페이스트를 스크린 인쇄한 후 건조 및 소성하여 형성할 수 있다. 소성이 이루어지는 과정에서 알루미늄 전극(160)에 포함된 알루미늄 원자가 반도체 기판(110) 측으로 확산하므로, 알루미늄 전극(160)과 기판(110)의 계면에는 후면 전계(BSF: Back Surface field)(도시하지 않음)가 형성된다. 한편, 알루미늄 전극 형성공정은 굳이 반사 방지막 형성 공정 이후에 진행하지 않아도 된다. 예를 들어 전면 전극 형성을 위한 은 페이스트의 스크린 인쇄 시 기판(110) 후면에 알루미늄 페이스트까지 함께 스크린 인쇄하고 1번의 건조 및 소성으로 전면 전극(140)과 후면 전극(160)을 동시에 형성할 수도 있다. 이런 경우, 전극 형성 공정을 단순화할 수 있는 이점이 있다.

상술한 방법으로 제조된 태양전지(10)는 다음과 같은 구조적 특징을 가진다. 즉 전면 전극(140)을 구성하는 핑거 전극(141)은 반사 방지막(150) 하부에 매립되고, 전면 전극(140)을 구성하는 버스 전극(142)은 반사 방지막(150) 하부에 매립되지 않고 노출된다. 종래에는 핑거 전극의 패시베이션(passivation)을 실시해야 하는 등의 번거로움이 있지만, 본 발명에서는 핑거 전극(141)이 반사 방지막(150)을 이루는 절연 물질에 의해 매립되어 있으므로 별도의 패시베이션 공정을 진행하지 않아도 되는 이점이 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 개략도이다.

도 2는 종래의 태양전지의 전면 전극을 형성하는 과정을 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 태양전지의 일부 개략도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 태양 전지의 일부 개략도이다.

Claims (12)

1. 제1 도전형을 갖는 기판,

   상기 기판에 위치하고, 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형을 갖는 에미터층,

   상기 에미터층과 연결되는 핑거 전극 및 상기 핑거 전극과 연결되는 버스 전극을 포함하는 제1 전극,

   상기 제1 전극의 일부를 덮고 있는 반사 방지막, 그리고

   상기 제2 전극과 분리되어 있고, 상기 기판과 연결되는 제2 전극

   을 포함하며,

   상기 핑거 전극은 상기 반사방지막에 의해 덮여 있으며, 상기 버스 전극은 상기 반사 방지막에 의해 덮여 있지 않고 노출되어 있는 태양 전지.
2. 삭제
3. 제1항에서,

   상기 반사 방지막은 상기 핑거 전극 사이에 노출된 에미터층을 덮고 있는 태양 전지.
4. 삭제
5. 제1 도전형을 갖는 기판에 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형의 에미터층을 형성하는 단계,

   핑거 전극과 버스 전극을 구비하고 상기 에미터층과 연결되는 제1 전극과 상기 제1 전극과 분리되어 있고 상기 기판과 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계, 그리고

   상기 핑거 전극 위에 반사 방지막을 형성하는 단계

   를 포함하며,

   상기 반사 방지막 형성 단계는,

   상기 버스 전극 위에 마스킹 패턴을 형성하는 단계,

   상기 기판 전면에 절연막을 형성하여 상기 핑거 전극을 덮는 반사 방지막을 형성하는 단계, 그리고

   상기 마스킹 패턴 및 이 패턴 위에 형성된 절연막을 제거하여 상기 버스 전극을 노출하는 단계

   를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
6. 제5항에서,

   상기 제1 및 제2 전극 형성 단계는,

   상기 에미터층 위에 제1 도전형 페이스트(paste)를 상기 핑거 전극과 상기 버스 전극의 형상에 대응하는 패턴으로 도포하는 단계,

   상기 도포된 패턴을 탈수소화가 유발되지 않는 온도에서 소성시켜 상기 제1 전극을 형성하는 단계,

   상기 에미터층이 형성되지 않은 기판 위에 제2 도전성 페이스트를 도포하는 단계, 그리고

   상기 제2 도전성 페이스트를 소성하여 상기 제2 전극을 형성하는 단계

   를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
7. 제6항에서,

   상기 제1 도전성 페이스트는 글라스 프릿을 포함하지 않는 태양 전지의 제조 방법.
8. 제7항에서,

   상기 제1 도전성 페이스트는 은(Ag) 페이스트인 태양 전지의 제조 방법.
9. 제6항에서,

   상기 제2 도전성 페이스트는 알루미늄(Al) 페이스트인 태양 전지의 제조 방법.
10. 제5항에서,

    상기 제1 및 제2 전극 형성 단계는,

    상기 에미터층 위에 제1 도전성 페이스트를 상기 핑거 전극과 상기 버스 전극의 형상에 대응하는 패턴으로 도포하는 단계,

    상기 에미터층이 형성되지 않은 기판 위에 제2 도전성 페이스트를 도포하는 단계, 그리고

    상기 도포된 패턴과 상기 제2 도전성 페이스트를 탈수소화가 유발되지 않은 온도에서 소성시켜 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계

    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
11. 삭제
12. 제5항에서,

    상기 절연막은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막 및 티타늄 산화막 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어지는 태양 전지의 제조 방법.

Images